鮑靜君
江蘇安科瑞微電網(wǎng)研究院有限公司 江蘇江陰 214443
摘要：智慧水務是數(shù)字城市建設的重要內(nèi)容之一，文章根據(jù)工程需要，運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術，設計開發(fā)了綜合水務管理平臺，通過水環(huán)境的智能感知、智能調(diào)度、智能服務和決策支持，形成基礎穩(wěn)固、業(yè)務、資源集約、保障有力的現(xiàn)代水環(huán)境管理信息化體系。
關鍵詞：智慧水務；智能感知；物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)
水務管理是城市管理的重要組成部分之一，智慧水務建設是智慧城市建設的必然延伸[1]。智慧水務系統(tǒng)充分利用多種信息技術，對水務信息進行采集、傳輸、存儲及處理，通過感知、主動服務、資源整合、科學決策，實現(xiàn)更自動的控制和及時的應對[2-3]。
水務管理系統(tǒng)貫穿水環(huán)境治理“數(shù)字設計—智能建造—智慧運維"全生命周期的各個階段[4]，立足業(yè)務建立“物聯(lián)感知─網(wǎng)絡傳輸─平臺大腦"體系，基于數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、5G、人工智能等技術[5-6]，以業(yè)務需求為導向，以水環(huán)境模型為基礎，業(yè)務和信息化，次挖掘各階段業(yè)務數(shù)據(jù)價值，不斷通過運維數(shù)據(jù)修正、優(yōu)化模型，實現(xiàn)科學決策與智慧管控，而不僅僅是做個“自動監(jiān)測和可視化展示的空殼"，解決城市水環(huán)境治理工程全生命周期各方痛點，才有生命力。
1 平臺建設原則
本平臺以“智慧驅(qū)動、治理"為理念，按照“少人化、無人化、智慧化"循序漸進的發(fā)展步驟，根據(jù)水環(huán)境治理實際需求，按照智慧水務建設的標準和要求，建成“智能感知、廣泛互聯(lián)、業(yè)務協(xié)同、決策科學、服務主動"的廠網(wǎng)河湖岸綜合管理平臺，涵蓋監(jiān)控指揮一張圖、智慧供水應用系統(tǒng)、智慧排水應用系統(tǒng)、智慧水環(huán)境監(jiān)管系統(tǒng)、績效考核監(jiān)管系統(tǒng)和工程數(shù)字化交付系統(tǒng)共6大核心應用，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)實時維護、供排水設施全過程管理、巡查養(yǎng)護監(jiān)管、動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控預警、調(diào)度決策、績效考核落地實效"的目標，提升供排水管理的規(guī)范化、精細化、智能化水平。
本平臺圍繞智能感知和科學決策這兩大主題，通過先數(shù)字化、后智能化、再智慧化的技術過程，采用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術，通過監(jiān)測傳感器部署連接形成智慧水務感知能力、無線網(wǎng)絡技術及專線網(wǎng)絡技術形成智慧水務傳輸能力、通過整合由調(diào)度經(jīng)驗形成的規(guī)則庫、廠站網(wǎng)數(shù)值模型形成的方案庫以及監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)庫形成后臺決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)感知、分析全、業(yè)務全覆蓋、監(jiān)控全過程，運維業(yè)務維度實現(xiàn)貫通關聯(lián)、空間維度實現(xiàn)大數(shù)據(jù)挖掘分析，提供智慧供水管理、智慧排水管理、智慧水環(huán)境監(jiān)管、智慧績效考核評價等四類智慧應用，打造成科學治水、治水的智慧水務管理平臺。
2 平臺總體設計
智慧水務平臺總體框架在符合當前水環(huán)境管理和業(yè)務需要的前提下，又具有一定的前瞻性，滿足未來業(yè)務擴展的需求，考慮分布式、多層次、先進技術與實用技術的策略，進行海量信息處理與分析，以更加精細、動態(tài)和智能的方式輔助決策，提升服務水平。
本智慧水務平臺的總體框架由分層支持體系構成，包括智能感知層、信息化基礎設施層、數(shù)據(jù)資源層和業(yè)務應用系統(tǒng)層。另外還有兩個保障體系，包括保障體系和標準規(guī)范體系。
通信網(wǎng)絡作為信息化建設的基礎環(huán)節(jié)，是信息傳遞的神經(jīng)網(wǎng)絡和各種業(yè)務應用的承載平臺，起著信息流高速傳輸和共享的通道作用。網(wǎng)絡部署符合國際及國家標準規(guī)范，可靠、互連、可互操作、可擴充，易于擴展、升級和維護。
智慧水務數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡主要由智能感知網(wǎng)絡和信息服務網(wǎng)絡組成。
3 平臺設計
本平臺通過底層的智能感知層獲取基礎數(shù)據(jù)，中層的數(shù)據(jù)資源和數(shù)據(jù)中臺提供各類數(shù)據(jù)服務，上層的各應用系統(tǒng)為用戶提供綜合的智慧水務服務。
3.1 智能感知層
智慧水務建設工程的監(jiān)測感知層，針對各工程子項的監(jiān)測需求，監(jiān)測對象包括源頭、泵站、水庫、供水廠、制水廠、污水廠、供配水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、污水調(diào)節(jié)池等，監(jiān)測內(nèi)容包括流量監(jiān)測、液位監(jiān)測、壓力監(jiān)測和水質(zhì)監(jiān)測。
排水系統(tǒng)工程按照源-網(wǎng)-站-廠分層分類進行監(jiān)測布點，水環(huán)境工程根據(jù)工藝考核需求進行監(jiān)測布點，供水工程按照源-制-站-水池-輸-配-用戶分層分類進行監(jiān)測布點。各子項監(jiān)測點的分布、設備選型、監(jiān)測方案設計依據(jù)以下基本原則：
1)實用性原則：監(jiān)測點的布置與監(jiān)測目的緊密聯(lián)系，監(jiān)測目的既能滿足項目實際運營管理需求，又充分了解項目建設現(xiàn)狀。
2)代表性原則：監(jiān)測點的布設能夠準確地反映監(jiān)測對象的水量水質(zhì)情況，從而確保監(jiān)測點的監(jiān)測結果具有較好的代表性。
3)先進性原則：系統(tǒng)設計立足于應用需求，采用當前成熟先進的技術，基于今后的需求考慮產(chǎn)品升級平滑度，使所選的產(chǎn)品具有較長的生命周期，并確保系統(tǒng)的持續(xù)先進性。
4)穩(wěn)定性原則：按照監(jiān)測需要，嚴格確定系統(tǒng)期望運行時間和可靠性等級，合理確定系統(tǒng)軟硬件期望故障時間和運行時間，選擇相應的產(chǎn)品，保障監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。
5)可行性原則：所選擇的監(jiān)測位置能夠方便、安裝和檢修監(jiān)測設備，并考慮設備的防盜問題。站點結構在滿足可靠、耐久的前提下，充分考慮材料來源及施工條件等因素。
6)可維護性原則：立足無人駐守，定期巡檢、采集、傳輸、處理，應用軟件工程方法，確保系統(tǒng)的可擴充性和可維護性，降低系統(tǒng)運行與維護的難度和代價。
7)標準規(guī)范原則：監(jiān)測系統(tǒng)設計嚴格遵循國家標準和行業(yè)內(nèi)的標準，保障系統(tǒng)建設的標準化和規(guī)范化。
3.2 物聯(lián)網(wǎng)接入平臺
物聯(lián)網(wǎng)接入平臺負責提供物聯(lián)網(wǎng)智能終端的接入管理，實現(xiàn)通訊連接和信息接入，通過線下收集到的設備信息，將設備信息通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供的功能進行上傳和儲存，信息字段一般包括：設備名稱、廠家、所屬分區(qū)、類型、位置、坐標、質(zhì)保期、出廠編號等基本信息。
為滿足對各智能業(yè)務終端、邊緣物聯(lián)代理的監(jiān)視、配置和管理，匯集各端采集的數(shù)據(jù)并進行標準化處理，并為數(shù)據(jù)中臺提供支撐，物聯(lián)網(wǎng)平臺支持以下能力：
1)兼容異構網(wǎng)絡：支持多種無線通信協(xié)議，包括但不限于基于無線WiFi、BT、Zigbee、2G/3G/4G/5G、LoRa、NB-loT；有線RS485、KNX等協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，消息路由，云端適配等服務。
2)多協(xié)議接入：支持多種物聯(lián)網(wǎng)應用協(xié)議，包括但不限于MQTT、COAP、HTTP/HTTPS等常用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，既能滿足長連接的實時性需求，也能滿足短連接的低功耗需求。
3)云端數(shù)據(jù)分析處理：針對設備數(shù)據(jù)處理端，平臺支持編寫類規(guī)則過濾設備數(shù)據(jù)，并通過規(guī)則引擎一鍵式配置打通其他組件，以方便快捷地實現(xiàn)海量設備數(shù)據(jù)的存儲、查詢、計算以及智能分析應用。為設備數(shù)據(jù)的存儲、傳輸提供可靠、自動化的運維監(jiān)控服務。
4)應用層協(xié)議統(tǒng)一：物聯(lián)信平臺支持通過統(tǒng)一的標準層協(xié)議實現(xiàn)異構設備的統(tǒng)一接入與管理。
5)高性能與多連接支持：具備億級設備的接入能力、大數(shù)據(jù)的傳輸能力、設備與第三方服務的統(tǒng)一連接能力。
3.3 數(shù)據(jù)中臺
業(yè)務中臺采用云服務的方式，為業(yè)務應用系統(tǒng)的運算、分析和展示提供相應的地理信息服務、大數(shù)據(jù)及人工智能服務、數(shù)據(jù)交互服務、物聯(lián)網(wǎng)服務、統(tǒng)一用戶服務、統(tǒng)一監(jiān)控服務和BIM模型服務。
主要包括：
1)地理信息服務：GIS服務中臺主要提供統(tǒng)一的地圖服務、三維服務、數(shù)據(jù)服務，實現(xiàn)地圖、專題圖底圖、三維場景、各類地理信息、基礎信息的地圖展示。將云計算與GIS服務，通過資源模板管理、部署、調(diào)度等特性，實現(xiàn)對基礎設施的敏捷調(diào)度、便捷管理，針對GIS應用環(huán)境快速部署和結合GIS數(shù)據(jù)進行空間大數(shù)據(jù)分析等核心需求。
2)大數(shù)據(jù)服務：智慧水務決策支持系統(tǒng)基于海量的不同類型數(shù)據(jù)，其中包含與地域分布有關的空間數(shù)據(jù)及隨時間變化的時序數(shù)據(jù)。采用數(shù)據(jù)挖掘技術將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成有用的信息和知識，可為決策提供有力支撐。
3)人工智能服務：通過數(shù)據(jù)預處理及數(shù)據(jù)標注、大規(guī)模分布式訓練、自動化模型生成，提供AI應用按需部署能力。提供AI數(shù)據(jù)及算法支撐，提升數(shù)據(jù)處理效率，整體運行速度；分布式集群加速，提升模型訓練效率。
3.4 業(yè)務應用系統(tǒng)
在上述智能感知層、數(shù)據(jù)服務層的支持下，本平臺提供了多個應用子系統(tǒng)：
1)監(jiān)控指揮一張圖系統(tǒng)基于大屏幕展示的監(jiān)控指揮一張圖系統(tǒng)，在日常應用中，用于監(jiān)控展示、綜合監(jiān)測預警、管網(wǎng)綜合展示、資產(chǎn)集中監(jiān)管、績效考評監(jiān)管等業(yè)務；在應急會商或研討時，用于展示供排水各類信息資源，保證信息展示的廣度，進行聯(lián)合調(diào)度指導、輔助決策。
2)智慧供水應用系統(tǒng)
智慧供水建設將資產(chǎn)管理、管網(wǎng)運維、生產(chǎn)運行管理、調(diào)水管理、水質(zhì)監(jiān)測與監(jiān)控、營業(yè)收費、服務等多種功能模塊整合到一個平臺中，系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)包括供水設施、設備資產(chǎn)、水情監(jiān)測、監(jiān)控、控制設施、生產(chǎn)報表、營業(yè)收費等各類型的數(shù)據(jù)。
智慧供水應用系統(tǒng)包括管網(wǎng)資產(chǎn)管理、設備資產(chǎn)管理、在線監(jiān)測、廠站運行監(jiān)管、管網(wǎng)巡查養(yǎng)護、營業(yè)收費管理、管網(wǎng)漏損管控、聯(lián)合調(diào)度管理、客服等9個子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)相互，同時又與智慧水務綜合運行管理平臺的績效考核評估系統(tǒng)，實現(xiàn)智慧排水工程的績效考核監(jiān)管及運行效能評估。
3)智慧排水應用系統(tǒng)
智慧排水建設將資產(chǎn)管理、管網(wǎng)運維、廠站運行管理、調(diào)水管理、水質(zhì)監(jiān)測與監(jiān)控等多種功能模塊整合到一個平臺中，系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)包括排水管網(wǎng)設施、設備資產(chǎn)、水雨情、水文、控制設施、監(jiān)控、河道水質(zhì)等各類型的數(shù)據(jù)。
智慧排水應用系統(tǒng)包括管網(wǎng)資產(chǎn)管理、設備資產(chǎn)管理、在線監(jiān)測、廠站運行監(jiān)管、管網(wǎng)巡查養(yǎng)護、聯(lián)合調(diào)度管理、排水戶管理等7個子系統(tǒng)，實現(xiàn)智慧排水工程的績效考核監(jiān)管及運行效能評估。
4)智慧水環(huán)境監(jiān)管系統(tǒng)
智慧水環(huán)境監(jiān)管系統(tǒng)對環(huán)境監(jiān)測實時數(shù)據(jù)及基礎地理空間數(shù)據(jù)，采用GIS、數(shù)據(jù)可視化、統(tǒng)計分析等技術，實現(xiàn)對水環(huán)境及排污設施的水質(zhì)、水量等各類監(jiān)測數(shù)據(jù)直觀展示。同時，結合對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析需求，提供各類統(tǒng)計分析工具，滿足水環(huán)境綜合治理對水環(huán)境監(jiān)管的要求以及水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的各類應用需求。
4 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺
安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產(chǎn)品體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關鍵節(jié)點安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，監(jiān)測主要用能設備能效，保護污水廠運行可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。
AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng)、電氣、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平臺、一個APP實時了解水務配電系統(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權限可以適用于水務后勤部門管理需要。
5 平臺子系統(tǒng)
5.1 變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控
對水務配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，對異常情況及時預警。
監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負荷率、溫度、三相平衡、異常等數(shù)據(jù)。
5.2 電能質(zhì)量監(jiān)測與治理
水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、閃變和容度指標分析其電能質(zhì)量，并配置對應的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。
5.3 電動機管理
馬達監(jiān)控實現(xiàn)水務中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監(jiān)測。準確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點、及相關信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產(chǎn)。
5.4 能耗管理
為水務搭建計量體系，顯示水務的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。
將所有有關能源的參數(shù)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。
能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計采集水務中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統(tǒng)計趨勢。
能效分析按計量架構，分別進行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過污水處理產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)/國家指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。
5.5 智能照明控制
系統(tǒng)為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達到節(jié)能、舒心的目的。
5.6 電氣
5.6.1 電氣火災監(jiān)測
監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實現(xiàn)對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣預警。
5.6.2 消防應急照明和疏散指示
根據(jù)預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。系統(tǒng)接入消防應急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。
5.6.3 消防設備電源監(jiān)測
監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設備可以正常投入使用。
5.6.4 防火門監(jiān)控系統(tǒng)
防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時，防火門能發(fā)出信號，能指示部位并保存信息，保障了電氣的可靠性。
5.6.5 環(huán)境監(jiān)測
污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動啟動排風風機或新風系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。
5.6.7 分布式光伏監(jiān)測
實時監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關狀態(tài)，逆變器運行監(jiān)視，對逆變器直流側每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數(shù)、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數(shù)據(jù)。
平臺結合廠區(qū)實際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點位置，各個屋頂?shù)难b機容量。
5.6.8 工藝仿真監(jiān)控
平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加接觸、污泥濃縮壓濾、生物等工藝設備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉(zhuǎn)、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產(chǎn)。
5.7 產(chǎn)品清單
6 結論
智慧水務是智慧社會的重要組成部分，是新時代水務信息化發(fā)展的更高階段，是水務現(xiàn)代化的前提條件，是推動水治理能力現(xiàn)代化建設的客觀要求。水務現(xiàn)代化對于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設來說很重要，支撐經(jīng)濟社會發(fā)展，保障環(huán)境。智慧水務建設利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等各項新技術手段，信息孤島，實現(xiàn)業(yè)務應用聯(lián)動，為處理和應對供排水和水環(huán)境污染事件和監(jiān)管提供了技術支撐，減少各類水污染事故，能夠給當?shù)厮h(huán)境、氣候及生產(chǎn)生活環(huán)境帶來較大的利益。
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